土砂互层下PBA工法地铁车站施工诱发地层变形规律研究*

杜宪武

(中铁北京局集团 (天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

地铁车站[1-3]一般位于城市中心，周边环境复杂，施工过程控制要求高。如李淑等[4-5]结合21个北京地铁车站深基坑工程实测数据，获得复合型变形模式下坑外深层土体竖向变形随深度增加而改变的规律。谢锡荣等[6]分析金华地区土岩组合地层地铁深基坑监测数据，总结土岩组合地质条件下，基坑水平位移曲线与周边沉降曲线的关系和特点，得到基坑最大水平位移量、最大地表沉降量、基坑影响范围与基坑开挖等关系。李少波[7]依托厦门轨道交通基坑工程，研究基坑围护结构的变形模式多为抛物线型位移。

PBA工法属于浅埋暗挖施工工法，具有施工工序复杂，影响地层变形因素多的特点[8-11]。周稳弟等[12-14]得到导洞开挖和扣拱施作对地层扰动较大，地层变形约占总变形90%的结论。韩健勇等[15]研究表明上导洞开挖引起的地表沉降约为下导洞的1.6倍，下导洞开挖对上导洞拱顶沉降产生一定程度影响。袁扬等[16]分析得到相比于先开挖下导洞，先开挖上导洞可更好控制地表沉降槽形状和管线变形的结论。张海明等[17]研究表明导洞施工诱发地表沉降分为初期沉降、快速沉降及沉降收敛3个阶段，应选择先上后下、先边洞后中洞的开挖顺序。

综上，在北京地铁17号线十里河车站工程中，建立洞桩法导洞开挖数值模型，分析黏土和砂土互层地质下，PBA工法施工全过程工序影响下的地表变形规律。

1 工程概况

1.1 项目概况

十里河车站为地下双层(局部3层)、双柱三跨结构，车站长315.8m，宽25.5m，车站顶板覆土厚7.6～12.9m。本车站设上下2层共8个施工导洞。上下层导洞开挖宽度为4.2m，开挖高度为4.8m。初期支护厚度为0.3m，采用纵向间距为0.5m的格栅钢架加喷射C20混凝土进行支护。

1.2 工程地质条件

十里河车站地层物理力学参数如表1所示，该车站地层为1层黏土、1层砂土互层。

表1 土层物理力学参数

2 数值模型建立及验证

2.1 结构材料参数(见表2)

表2 结构材料参数

2.2 模型建立

根据圣维南原理，地下工程开挖过程逐渐远离开挖区域，对土层扰动影响程度逐渐减小，为减小边界效应，结合工程经验，模型中的边界条件在横向方向往车站两边各取3倍车站宽度范围，模型纵向取30m，模型底部取2倍车站高度，上表面取至地表，建立模型x·y·z=195m×30m×71.5m。约束模型左右边界x方向位移、前后边界y方向位移和底边界的z方向位移，模型上表面按自由变形平面考虑。由于本文研究的PBA工法车站结构布置较复杂，采用FLAC3D软件前处理功能直接建模难度极大，故借助CAD和ANSYS软件建立模型及划分网格，之后将模型节点导入FLAC3D软件中进行计算，对模型纵深y方向15m的断面计算结果进行分析。模型网格如图1所示。

图1 模型网格示意

2.3 监测方案

选取本车站里程为K16+521.962的断面监测数据进行分析。上下8个导洞开挖是动态过程，本文不考虑导洞间掌子面沿导洞轴线错距大小影响，将上下导洞掌子面超过K16+521.962断面向前掘进10m后作为地表最终沉降量。地表变形监测平面如图2所示。

图2 地表变形监测平面

2.4 数值分析流程及施工过程

根据拟定的模型尺寸建立模型，对不同土层对应材料参数赋值，求解得到模型初始应力平衡参数，之后对初始平衡后的模型进行位移清零，根据车站不同施工工况，采用空模型对车站开挖模型单元进行移除模拟开挖，对车站结构实体单元进行弹性求解，模拟支护结构与内部结构施作，最后采用相关数据处理软件对数值模型计算结果进行后处理。由于车站导洞数量较多且车站施工工序较复杂，故取车站主要施工步骤节点进行分析研究，整体车站施工过程主要分为导洞施工阶段、桩梁体系施工阶段、初支扣拱施作阶段、二衬扣拱施作阶段、地下1层施工阶段、地下2层施工阶段进行分析。

3 现场导洞开挖顺序

该车站实际导洞开挖顺序为3→1→4→2→7→5→8→6(见图3)。先施工上层中间导洞，后跳洞开挖上层另一侧边导洞，再开挖中导洞，最后开挖另一个边导洞，上层导洞施作完成后再施作下层导洞，上下层导洞横向方向开挖顺序一样。数值模型中的导洞采用全断面开挖法，不考虑各导洞掌子面间的错距影响，当前一导洞贯通后再开挖后一导洞。

图3 模型导洞编号

4 主要施工过程

主要施工过程如图4所示，步序如下：①导洞施工阶段 导洞开挖前先对所开挖的导洞上方加固地层进行弹性求解，模拟导洞超前注浆加固，按照实际导洞开挖顺序对导洞进行开挖和支护；② 桩梁体系施工阶段 施作地下基坑的围护边桩时，先施作下层边导洞条形基础和围护桩顶冠梁，再施工下层中导洞底纵梁、车站中柱、上层中导洞顶纵梁，对相应结构实体单元进行弹性求解，以达到平衡模拟；③初支扣拱施作阶段 使用CD法同步开挖上层导洞间的2个边跨拱部土体，施作2个边拱初期支护结构，通过全断面法开挖中跨拱部土体，施作中拱初期支护结构，再在上层边导洞内部与扣拱初支结构间的空隙中回填混凝土；④二衬扣拱施作阶段 分段移除车站内部的上层导洞初期支护结构，对二衬顶拱进行弹性求解以模拟车站顶部二衬扣拱施作；⑤地下1层施工阶段 开挖车站地下1层土体的模拟过程为一次性开挖完成，对车站中板和地下1层边墙单元进行弹性求解，模拟车站内部地下1层主体结构施作；⑥地下2层施工阶段 拆除车站内部下层导洞初支结构，开挖车站地下2层土体的模拟过程为一次性开挖完成，对车站底板和地下2层边墙单元进行弹性求解，模拟车站内部地下2层主体结构施作。

图4 主要施工过程

5 PBA工法车站施工过程地层变形规律

5.1 导洞施工阶段地层竖向变形分析

导洞施工阶段的地层竖向变形云图如图5所示。在上下层导洞施工阶段，地层竖向变形最大处位于2号导洞拱顶上方，最大地层沉降量约76.6mm，主要由于是上层3，1，4号导洞开挖后对地层造成扰动，之后3，1，4号导洞进行支护，以限制周边松动围岩移动，2号导洞最后开挖，当2号导洞开挖尚未支护时形成临空面，是由于先行导洞开挖引起多次扰动后，土层松动范围扩大，周围松动土层更容易向2号导洞临空面移动，在2号导洞上方产生较大沉降叠加效应引起的。说明最后开挖导洞上方的土体沉降量比先行开挖导洞上方土体沉降量大。最大地表沉降量出现在车站中轴线附近，最大地表沉降量约60mm，地表沉降量基本以中轴线为对称轴，从车站中轴线往车站两边延伸，地表沉降量逐渐减小，在车站中轴两边形成对称的沉降变形形态。同时在下层导洞底部土体出现一定量的回弹隆起，最大隆起量约42mm。

图5 导洞施工阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.2 桩梁体系施工阶段地层竖向变形分析

桩梁体系施工阶段地层竖向变形云图如图6所示，在桩梁体系施工阶段，中间导洞拱顶上方地层竖向变形最大，沉降量约80mm，下层导洞底部土层产生一定隆起，最大隆起变形量约41mm。在车站中轴附近，地层竖向变形最大，从车站中轴往两边延伸，地层竖向变形量逐渐减小，地层基本以车站中轴为对称轴形成对称的竖向变形形态。相比导洞施工阶段，本阶段地层竖向变形量和影响范围加大，但增加量较小。可以看出，桩梁体系施工阶段对地层竖向变形影响较小。

图6 桩梁体系施工阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.3 初支扣拱施作阶段地层竖向变形分析

初支扣拱施作阶段地层竖向变形云图如图7所示，在初支扣拱施作阶段，最大地层竖向变形出现在边拱顶部附近，最大地层沉降量约106.8mm，主要是由于拱部土体开挖卸载，拱部上方土层在自重作用下向下移动，而导洞已经支护，阻止松动土层向导洞方向移动，松动土体向拱部移动引起沉降叠加，从而拱部地层变形较大。在车站中轴附近，地层竖向变形量较大，从车站中轴往两边延伸，地层竖向变形量逐渐变小。在下层导洞底部，土体出现一定隆起，主要是由于拱部土体开挖卸载，作用在下层导洞底部的自重应力减小引起土体回弹，最大回弹量约32.9mm。相比桩梁体系施作阶段，初支扣拱施作阶段引起的地层竖向变形量较大，本阶段需加强地表沉降监测工作和提高地层注浆加固质量。

图7 初支扣拱施作阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.4 二衬扣拱施作阶段地层竖向变形分析

二衬扣拱施作阶段地层竖向变形云图如图8所示，在二衬扣拱施作阶段，地表沉降最大值出现在车站中轴附近，最大地表沉降量约90mm。地层最大竖向变形量出现在两边拱顶部，最大沉降量约114.5mm。在车站底部土层出现一定量回弹隆起，最大土体隆起量达33.7mm。相比初支扣拱阶段，二衬扣拱阶段对地层竖向变形影响较小，是由于初支扣拱具有一定强度和刚度，足够限制围岩的过大变形，能保证围岩稳定，二衬扣拱阶段不存在土方开挖，不直接与土体联系，所以二衬扣拱阶段对地层竖向变形影响较小，但最大地层沉降量增加约7.7mm，主要是由于导洞边墙的拆除，围岩主要承载结构由初支结构转换为梁柱结构，对初支结构拆除后的受力具有一定影响。因此施工过程应分段拆除导洞边墙，及时施作二衬扣拱减小地层沉降。

图8 二衬扣拱施作阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.5 地下1层施工阶段地层竖向变形分析

地下1层施工阶段，地层竖向变形云图如图9所示，在车站中轴位置整体地层竖向变形较大，往车站中轴两边延伸，地层竖向变形逐渐变小，车站中轴两边土体竖向变形基本以车站中轴为对称轴形成对称的变形形态。最大地表沉降约100mm，从地表向车站顶部，土体沉降量逐渐变大，最大地层沉降量出现在车站中跨顶部位置，最大地层沉降量约130.9mm。在车站底部土体出现较大回弹隆起，最大隆起量达48.6mm，主要是由于地下1层土体开挖卸载较大，作用在车站底部土体上的压力变小引起土体回弹。相比二衬扣拱施作阶段，本阶段最大地层沉降量增加16.4mm左右，约增加14.3%，说明地下1层施工阶段对地层影响较大，应加强车站上方既有构筑物的监测和保护工作，适当增加地表注浆加固质量，以控制地表沉降。

图9 地下1层施工阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.6 地下2层施工阶段地层竖向变形分析

地下2层施工阶段，地层竖向变形云图如图10所示，该阶段引发的最大地层沉降量出现在车站中拱顶部，最大地层沉降量约131.5mm，从车站顶部竖向方向往地表延伸，地层沉降量逐渐减小，相比地下1层施工阶段，本阶段最大地层沉降量增加0.6mm，约增加0.5%，增加量较少，说明PBA工法车站中，地下2层施工阶段对地层扰动影响较小，车站周边土体已基本达到稳定状态，对周边环境影响较小。车站底部土体出现较大隆起，最大土体隆起量约65.6mm，相比地下1层施工阶段，最大土体隆起量增加17mm，约增加34.9%，主要是由于地下2层土体开挖卸荷量较大，使作用在车站底部的荷载减小较多，从而引起车站底部土体回弹变形量较大。

图10 地下2层施工阶段地层竖向变形云图(单位：m)

5.7 地表沉降结果分析

车站施工过程地表沉降如图11所示，对比PBA工法车站施工过程引起的地表沉降，可得出以下规律。

图11 车站施工过程地表沉降

1)从整体上来看，PBA工法不同施工阶段引起的地表沉降形态基本一样，整个车站施工过程在车站上方及车站边界外侧约1.5倍车站宽度范围内，地表的沉降影响程度较大，最大地表沉降量出现在车站中轴线附近，从车站中轴往车站两边延伸，地表沉降量逐渐减小，地表沉降以车站中轴线为对称轴，形成中间下凹型沉降槽形式，主要是由于车站内部土体开挖引起地层损失，车站上方土体在自重作用下向下移动引起沉降，在车站中轴位置附近产生较大沉降叠加效应，从车站中轴往两边延伸，土层沉降叠加效应逐渐变小引起的。

2)从不同施工阶段引起的地表沉降量大小来看，随着车站施工阶段推进，地表沉降量不断增加，导洞施工阶段引起的最终地表沉降量最大约60.2mm，桩梁体系施工阶段引起的最终地表沉降量最大值约65.1mm，相比导洞施工阶段增加4.9mm，约增加8.1%；初支扣拱施作阶段引起的最终地表沉降量最大值约85.4mm，相比桩梁体系施工阶段增加20.3mm，约增加31.2%；二衬扣拱施作阶段引起的最终地表沉降量最大值约91.8mm，相比初支扣拱施工阶段增加6.4mm，约增加7.5%；地下1层施工阶段引起的最终地表沉降量最大约101mm，相比二衬扣拱施作阶段增加9.2mm，约增加10%；地下2层施工阶段引起的最终地表沉降量最大约105mm，相比地下1层施工阶段增加4mm，约增加4%。由于最终地表沉降量较大，车站施工过程应适当增加地层注浆加固范围控制地层沉降，以及加强地表监测工作，随时掌握地层变形动态，避免围岩坍塌。

5.8 各施工阶段地表沉降比例分析

导洞施工阶段、桩梁体系施工阶段、初支扣拱施作阶段、二衬扣拱施作阶段、地下1层施工阶段、地下2层施工阶段最大地表沉降占最终地表沉降最大值的比例分别为57.33%，4.67%，19.33%，6.1%，8.76%，3.81%。对比PBA工法车站主要施工阶段引起的最大地表沉降值占车站最终地表沉降最大值的比例关系，可以得出以下规律。

1)整体上看，导洞施工阶段对地表沉降影响程度最大，其次是初支扣拱施作阶段，其他施工阶段对地表变形的影响较小，因此在导洞施工阶段和初支扣拱施作阶段应加强地层加固措施，以控制地层沉降。

2)从地表沉降影响程度看，导洞施工阶段对地表沉降影响最大，主要是由于导洞上方土层埋深较小，导洞土体开挖量较大，土体卸载后对地层的扰动较大，扰动范围延伸到地表，地层沉降叠加效应较明显，从而地面沉降量较大。桩梁体系施工对地表沉降影响较小，扣拱施作阶段对地表沉降影响较大，主要是由于拱部土体开挖进行一定卸载，拱部上方土层在自重作用下向下移动，从而引起较大地表沉降。车站内部地下1层和地下2层开挖对地表沉降影响较小，主要是由于边桩、中柱和顶拱形成刚度较大的承载体系，承受大部分外部荷载，因此车站内部施工对车站外部土层扰动较小。

6 结语

采用数值分析方法，将PBA工法车站施工过程简化为6个阶段，分别对每个阶段施工引起的地层变形影响进行分析，最后结合现场监测数据进行对比验证模型可靠性，结论如下。

1)从地表沉降规律看，PBA工法车站施工过程中，最大地表沉降量出现在车站中心轴线附近，以车站中轴线为对称轴，横向方向往车站两边延伸，地表沉降量逐渐减小，形成漏斗状的沉降槽形式。

2)从地表沉降影响程度来看，导洞施工阶段对地表沉降影响最大，约占整个车站施工过程地表最终沉降量最大值的57.33%，初支扣拱施作阶段对地表沉降影响较大，约占整个车站施工过程最终地表沉降量最大值的19.33%，其他施工阶段对地表沉降影响较小，导洞和初支扣拱施作阶段是控制地表沉降的关键阶段。

3)从地层竖向变形来看，PBA工法车站顶部地层表现为沉降变形，从地表到车站顶部范围，随着深度增加，土层沉降量逐渐增大，在车站底部土体表现为隆起变形。